Engineering plasmonic nanoparticles for nanomedical applications
Nanomedikal uygulamalar odaklı plazmonik nanoparçacık mühendisliği
- Tez No: 648912
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KAAN GÜVEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyofizik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biophysics, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Lokalize yüzey plazmon rezonanslarının plazmonik parçacıklara kazandırdığı zengin özellikler birçok farklı disiplinden araştırmacının dikkatini çekmeyi başarmıştır. Uzaktan tetiklemeli nano boyutta ısı ve güçlü optik kontrast üretimi altın nanoparçacıkların (ANP) ışıl ısıl tanı ve tedavi gibi uygulamalarda nanotıp alanında öne çıkmasına neden olan temel nedenlerdir. ANP'ların yüzey modifikasyonları aracılığıyla kanser hücrelerini seçilimli hedeflemeye programlanması hücresel düzeyde girişimsel olmayan kanser tanı ve tedavi uygulamalarına olanak sağlamıştır. Kanser türleri arası değişkenlik ve buna bağlı hastadan hastaya farklılık gösteren tümör dokusu yapılanmasındaki öngörülemezlik geleneksel kanser tanı ve tedavi yaklaşımlarının karşılaştığı en önemli zorluklardan birini temsil eder. Kanserin hayli düzensiz doğası kişiselleştirilmiş tedavi stratejilerini son yıllarda özellikle dikkat çekici kılmıştır. Bu tez çalışması teknolojik gelişmelere ve değişen uygulama koşullarının durmaksızın farklılaşan gerekliliklerine tutarlı olarak dönüşüm geçiren dinamik uygulama alanlarında kullanılmak üzere en uygun ANP biçimlerinin belirlenmesine olan artan ihtiyaca hitap etmek amacıyla hazırlanmıştır. Tezin kapsamı plazmonik nanoparçacıkların biçimsel nitelikleri ve bunlar sonucunda ortaya çıkan optik özellikleri arası etkileşimi kavramaya yönelik sayısal simülasyonları temel alan dereceli gelişen bir yaklaşımı içine alır. Değişen geometrilerdeki plazmonik parçacıklar bütün bilinen biyolojik saydamlık pencerelerini kapsayan 500-3000 nm aralığındaki ışık spektrumunda Lumerical ve MATLAB için yazılmış MNPBEM paketi kullanılarak simüle edilmiştir. Yapılan simülasyonlarda tekil nanoparçacıkların soğurma, saçılım ve sönümleme kesitleri; periyodik dizilimli nanoparçacıkların iletim, yansıma ve soğurulması; nanoparçacık yakın çevresindeki elektrik alanı ve lokalize yüzey plazmon rezonansı kaynaklı nanoparçacıkta oluşan elektrik akım yoğunluğu başta olmak üzere plazmonik nanoparçacıkların optik nitelikleriyle ilintili veri üretilmiştir. Bu tezde irdelenen nanoparçacık geometrileri hem tek parçalı bağımsız hem de öztoplanımlı karmaşık yapıdaki küresel, disk-biçimli ve sliindirik temel nanoparçacık geometrilerinden nanobar gibi kartezyen geometrilere uzanan bir yelpazeyi kapsamaktadır. Çoğunlukla saçılgaç nanoparçacıkların hakim olduğu 1500 nm dalga boyunda çınlayan büyük boyutlu soğurucu gümüş nanoparçacıkların mühendisliği bu tez araştırmasının kilit yeniliklerinden birisidir. Çerçeve tasarım yaklaşımı plasmonik nanoparçacıkların saçılımlarını baskılarken soğurma özelliklerini artırmasıyla parçacıkların optik niteliklerinde kayda değer değişimler ortaya çıkarır. Bu tez çalışmasının esaslı katkılarından bir diğeri, çerçeve tasarım yaklaşımı üzerine kurgulanan ANP aracılı kanser tanı ve tedavi uygulamalarının son zamanlarda keşfedilen uzun dalgaboyu saydamlık pencerelerinde (1600-2400 nm) teorik olarak gerçekleştirilebilirliğinin literatürde ilk defa kanıtlanmasıdır. ANP mühendisliği odaklı tasarım iskeleti kapsamlı temel ANP veri setinin veri bilimi bakış açısıyla yapılan çıkarımsal analizi sonucu oluşturulmuştur. Tasarım iskeleti ANP'ların geniş uygulama alanlarına uyarlanmasında çalışan bir çok araştırmacıya gelecekte yol göstermeyi hedefleyen bu araştırma tezinin son asli katkısını temsil eder.
Özet (Çeviri)
Localized surface plasmon resonances grant plasmonic nanoparticles rich features that attract the attention of numerous researchers from wide ranging disciplines. Remotely triggered nanoscale heat production and strong optical contrast generation are the key attributes that render gold nanoparticles (AuNPs) widely popular especially in nanomedical applications such as photothermal cancer therapy and diagnosis. AuNPs are programmable via surface modifications to selectively target cancer cells facilitating the implementation of non-invasive cancer diagnosis and treatment at a cellular level. The variability of cancer types and the corresponding unpredictability in the structuring of the tumor tissue across individual patients represent one of the greatest challenges for the nonspecific approaches in the diagnosis and treatment of cancer. Personalized treatment strategies have been attracting special attention due to the highly irregular nature of cancer. The main motivation of this thesis is to address the increasing need for identifying the optimum AuNP morphology in the dynamic application landscape that is consistently transformed by technological developments and continuously varying demands of the changing implementation environment. The scope of this thesis covers a progressively evolving approach based on numerical simulations to establish an understanding of the interaction between the morphological features and the resulting optical properties of a plasmonic nanoparticle. Plasmonic nanoparticles of various geometries are simulated via the Lumerical and MNPBEM package for MATLAB within the 500-3000 nm spectrum spanning the entire range of biological transparency windows available. The simulations generate data pertaining to the optical properties of plasmonic nanoparticles including absorption, scattering and extinction cross-sections per individual particle; transmission, reflection and absorption for periodic array of nanoparticles; electric field in the near vicinity of the nanoparticles; and the electric current density flowing through the nanoparticle under the localized surface plasmon resonance condition. The scope of nanoparticle geometries explored in this thesis ranges from cartesian particles such as nanobars to elementary NP geometries, i.e. spherical, disk-shaped, and cylindrical nanoparticles both as monolithic, standalone structures and as self-assembling complex nanoplatforms. Engineering of large absorber silver nanobars resonant beyond 1500 nm, a wavelength range strongly dominated by scattering nanoparticles, is one of the key novelties of this thesis work. The contour design approach generates a significant change in the optical characteristics by enhancing absorption while simultaneously suppressing scattering in plasmonic nanoparticles. Another key contribution of this thesis work, building on top of the contour design approach, is the theoretical demonstration of the viability of implementing AuNP mediated cancer diagnosis and treatments in the lately discovered long wavelength transparency windows (1600-2400 nm) for the first time in literature. The design framework for engineering AuNPs constructed through a deductive analysis of an extensive dataset of fundamental AuNPs based on a data scientific perspective, represents the final key contribution of the thesis with the objective to provide guidance for future researchers working on implementations of AuNPs in a wide range of applications.
Benzer Tezler
- Plasmonic enhancement of absorption efficiency of nanoparticles for photothermal therapy applications
Fototermal terapi kullanımı için nanopartikullerin plazmonik emilim veriminin arttırılması
EGE ŞÜKRÜ TAHMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ERTÜRK
- Effect of substrate type on structural and optical properties of metal nanoparticles for plasmonic applications
Plazmonik uygulamalarda alttaş türünün metal nano parçacıkların yapısal ve optik özelliklerine etkisi
İREM TANYELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. DR. RAŞİT TURAN
YRD. DOÇ. DR. ALPAN BEK
- Plazmonik nanoparçacıkların güneş hücrelerinin verimine etkileri
The effects of plasmonic nanoparticles on solar cell efficiency
METİN FURKAN TANRIVER
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DİNÇER GÖKCEN
- Comparison of core-shell alloy plasmonic nanoparticles with 3 different models
Çekirdek-kabuk alaşımı plasmonik nanoparçacıkların 3 farklı model ile karşılaştırılması
ARINÇ YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPAN BEK
PROF. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN
- Plazmonik soy metal (Au, Ag) nanoparçacıklara dayalı sensör üretimi ve analizi
Production and investigation of sensor devices based on plasmonic noble metal (Au, Ag) nanoparticles
İLHAN CANDAN
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiDicle ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HADİCE BUDAK GÜMGÜM
PROF. DR. HAMDİ ŞÜKÜR KILIÇ